DE19510987A1 - Formkörper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper, wie z. B. ein Gehäuse für elektronische Bauteile, mit elektrisch isolierten Leiterdurchführungen.

Gemäß dem bekannten Stand der Technik wird das Isolationsmaterial der Leiterdurchführun­ gen in einem getrennten Arbeitsgang außen und innen durch Einbrennen metallisiert, und dann in den zusammengesetzten Formkörper z. B. eingelötet. Auch ist es bekannt, für das Ein­ setzen von Leiterdurchführungen in Formkörper Glaspillen in vorgesehene Bohrungen des Formkörpers einzuschmelzen, wobei der Leiter bereits in der Glaspille enthalten sein kann.

Nachteil bei diesen bekannten Verfahren ist einerseits der aufwendige Vorgang der Vorbe­ handlung der Leiterdurchführungen und andererseits die Notwendigkeit, Glassorten zu ver­ wenden, deren Schmelzpunkt niedriger als der Schmelzpunkt des Metalls des Formkörpers ist, damit dieser beim Einschmelzen des Glases nicht die vorgegebene Geometrie verliert. Insbesondere bei Verwendung von niedrigschmelzenden Metallen für den Formkörper war es bislang nicht möglich, wirklich vakuumdichte Leiterdurchführungen unter Verwendung von Glas als Isolator zu erzielen, da niedrigschmelzende Gläser korrosionsanfällig, und weniger widerstandsfähig als hochschmelzende Gläser sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, qualitativ hochwertige Formkörper, insbesondere vaku­ umdichte Gehäuse für elektronische Bauteile, aus Metall, vorzugsweise Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen, mit in diesen vakuumdicht und elektrisch isoliert eingesetzten Lei­ terdurchführungen rascher, reproduzierbarer und langzeitbeständiger hinsichtlich ihrer Eigen­ schaften, insbesondere der Dichtheit, auf diese Weise verläßlich herzustellen.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einem Formkörper der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der aus Metall und/oder wenigstens zum Teil aus mit einem Metall-Matrix-Ver­ bundmaterial (MMC-Material) bestehende Formkörper ein gegossener einstückiger Formkör­ per ist, bei welchem das Formkörpermetall an die elektrisch isolierten Durchführungen ange­ gossen ist.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die auf diese Weise zwischen dem Isolationsmate­ rial der Leiterdurchführungen und dem Metall zustande kommende Grenzschicht eine ausge­ zeichnete Vakuumdichtheit gewährleistet, die graduell verbessert werden kann, wenn ein Druckgußverfahren angewendet wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Isolationsmaterial der Durchfürung ein Keramikmaterial oder Glas insbesondere mit einem höheren Schmelzpunkt als jenem des Metalls sein. Gerade im Falle von Glas ist es erfindungsgemäß möglich, Glassorten mit einem höheren Schmelzpunkt als jenem des Formkörpermaterials zu verwenden.

Eine weitere graduelle Verbesserung der Eigenschaften der Grenzschicht Formkörperme­ tall/Isolationsmaterial der Leiterdurchführungen kann in weiterer Ausgestaltung der Erfin­ dung erreicht werden, daß das Isolationsmaterial eine Metallbeschichtung, eine Metallauflage, wie z. B. einen Metallring, o. dgl., aufweist, an welche das Formkörpermetall angegossen ist.

Da es sich erfindungsgemäß um einen gegossenen Formkörper handelt, können gemäß wieder einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Leiter der Durchführungen aus dem Form­ körpermetall bestehen.

Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, das darin besteht, daß zumindest das Isolationsmaterial der elektrisch isolierten Leiterdurchfüh­ rungen in eine Gußform eingesetzt wird, und sodann der von den Leiterdurchführungen bzw. dem Isolationsmaterial derselben durchsetzte und der Gestalt des Formkörpers entsprechende Formenhohlraum mit Metall, gegebenenfalls unter Druckeinwirkung, gefüllt, darauf das Me­ tall erstarren gelassen, und sodann der Formkörper entformt wird.

Hierdurch ist es möglich, in einem Arbeitsgang rasch und zuverlässig Formkörper, insbeson­ dere Gehäuse für elektronische Bauteile, mit vakuumdichten, elektrisch isolierten Leiter­ durchfürungen herzustellen, und zwar gleichgültig, ob diese aus Metall oder einem MMC- Material allein oder einer Kombination derselben, bestehen.

Wenn in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine mehrteilige MMC- Vorform aus jeweils unterschiedlichen Materialien verwendet wird, kann ein hervorragender Ausgleich der durch die Formgebung des Formkörpers, z. B. zufolge unterschiedlich dicker Gehäusewandteile bedingten unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Formkörperteile erreicht und somit eine Rißbildung oder Verformung des Formkörpers bei starken Temperaturschwankungen vermieden werden. Dieser Vorteil kann bei einer mehrtei­ ligen Vorform aus gleichen Materialien auch dadurch erreicht werden, daß die Materialien jeweils unterschiedliche Dichte bzw. Füll- oder Schüttdichte aufweisen.

Insbesondere bei Herstellung eines Formkörpers aus einem MMC-Material kann in Weiter­ bildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Isolationsmaterial der Leiterdurchführungen, das einen Kanal für die Aufnahme eines Leiters aufweist, in durchgehende Bohrungen der MMC-Vorform eingesetzt werden. Diese Kanäle füllen sich dann während des Infiltrations­ vorganges mit dem Metall und bilden so die Leiter der Leiterdurchführungen.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise be­ schrieben. In diesen zeigen die Fig. 1 bis 5 Gußformen für unterschiedliche Ausführungsfor­ men erfindungsgemäßer Formkörper.

Fig. 1 zeigt eine aus mehreren Teilen 5 zusammengesetzte Gußform 1 für die Herstellung ei­ nes Gehäuses aus Metall. Der dem herzustellenden Formkörper entsprechende Formhohlraum ist mit 2 bezeichnet. Die kürzeren Schenkel des Formhohlraumes 2 durchsetzen Röhrchen 3 aus Keramik oder Glas, welche die Isolierung der Leiterdurchführungen darstellen. Die Röhr­ chen 3 weisen Kanäle 4 auf, die sich beim Ausgießen des Formhohlraumes 2 mit dem Form­ körpermetall füllen. Für das Gießen sind in der zwecks Entformbarkeit mehrteiligen Guß­ form 1 Kanäle 6 vorgesehen.

Die Gußform 1 ist in einen Behälter 11 eingesetzt, über der Gußform ist das Formkörperme­ tall 12 angeordnet. Die für das Erschmelzen des Formkörpermetalls 12 erforderliche Schmelzeinrichtung ist - da üblicher Art - ebensowenig dargestellt wie ein Druckgefäß, in welchem die Anordnung gemäß Fig. 1 angeordnet sein kann.

Alternativ können die mit dem Isolationsmaterial bereits verbundenen Leiter in die Gußform eingesetzt werden, was zur Voraussetzung hat, daß der Schmelzpunkt des Leitermetalls, ins­ besondere aber der Schmelzpunkt der Verbindung Leitermetall/Isolationsmaterial, höher als jener des Formkörpermetalls ist. Hiebei kann es sich z. B. um Leiterdurchführungen handeln, bei welchen auf dem Leiter bereits Glaspillen aufgeschmolzen sind, wobei der Glasschmelz­ punkt höher als jener des Formkörpermetalls sein kann, was die Verwendung der langzeitbe­ ständigen hochschmelzenden Glassorten ermöglicht.

Um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Grenzschicht Formkörperme­ tall/Isolator zu verbessern, kann es von Vorteil sein, den Isolator, also die Außenseite des Röhrchens 3, vor dem Gießen in einem separaten, an sich bekannten Vorgang zu metallisie­ ren.

Bei der nachstehenden Erläuterung der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 und 5 werden der Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Gemäß Fig. 2 ist der gesamte Formhohlraum 2 mit der Vorform 7 eines MMC-Materials er­ füllt.

MMC-Materialien stellen Werkstoffe dar, bei denen eine Vorform und als Matrix ein Metall in unterschiedlichen Mengenverhältnissen ineinander eingebettet vorliegen. Die Vorform kann in Form von Teilchen, Fasern, oder porösen Körpern mit Metall infiltriert werden. Durch die Auswahl der Art, Form, Menge und Porosität der Vorform sowie der Art des Infil­ trationsmaterials lassen sich die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des entstehenden Werkstoffs den Anforderungen entsprechend variieren. Das MMC-Material kann z. B. aus Aluminium mit einer Vorform aus SiC oder AlN bestehen. Als Vorform kön­ nen auch Kohlenstoffasern, Keramikfasern, o. dgl. eingesetzt werden. Als Matrix (MMC-In­ filtrationsmaterial) können Metalle oder deren Legierungen verwendet werden, wie z. B. Aluminium, Magnesium, Kupfer etc.

Auch ist es möglich, als Vorform bei MMC-Materialien ein Metall zu verwenden, dessen Schmelzpunkt höher als jener des Matrixmetalls ist.

Bei Verwendung von porösen Vorformmaterialien zur Herstellung solcher MMC-Werkstoffe werden jene in einem sogenannten "Infiltrationsvorgang" mit geschmolzenem, über die Kanäle 6 zugeführtem Metall durchdrungen. Die Vorform wird unter Druck mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall infiltriert. Das Erstarren des flüssigen Metalls erfolgt, je nach Vorformmaterial, bei Atmosphärendruck, z. B. bei einer Vorform aus Kohlenstoffasern, oder unter Druck, z. B. bei einer Vorform aus Al₂O₃.

Der Einsatz dieser MMC-Materialien als Materialien für Formkörper ergibt den besonderen Vorteil, daß als Isolationsmaterial für die Leiterdurchführungen auch ein Material verwendet werden kann, das einen höheren Schmelzpunkt als das Gehäusematerial hat. Somit kann auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung ein qualitativ hochwertiges (hochschmelzendes) Glas, ebenso wie ein hochschmelzendes Keramikmaterial als Isolationsmaterial für die Lei­ terdurchführungen eingesetzt werden.

Auch bei diesen Ausführungsbeispielen können die Leiter der Leiterdurchführungen mit dem Formkörper mitgegossen werden, und somit aus der Matrix des MMC-Materials bestehen, oder aber auch aus anderen, mit der Isolation bereits verbundenen Metall bestehen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher nur ein Teil des Formhohlraumes 2 mit einer Vorform 7 eines MMC-Materials ausgefüllt ist.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Formenhohlraum mit Vorformen 8, 9 aus jeweils anderem Material, oder demselben Material, jedoch unterschiedlicher Dichte, bzw. Füll- oder Schüttdichte, Oberflächenbehandlung o. dgl., ausgefüllt ist. Bei der Vorform 8 kann es sich z. B. um gepreßtes SiC handeln, bei der Vorform 9 gleichfalls um SiC, jedoch lediglich in den Formenhohlraum eingerütteltes SiC. Hiedurch ist es möglich, hinsichtlich des Formkörpers unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zu erzielen, darüber hin­ aus ist die Herstellung solcher Vorformen wesentlich einfacher und billiger.

Eine alternative Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann darin bestehen, daß die Vorform 8 aus SiC und die Vorform 9 aus AlN, oder umgekehrt, bestehen. Jedenfalls können auch durch diese Maßnahmen bereichsweise unterschiedliche Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten des Formkörpers realisiert werden.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher in den Formenhohlraum lediglich ein Kern 10 aus einer Vorform eines MMC-Materials eingesetzt ist, welche Ausführungsform insbeson­ dere dann von besonderem Interesse ist, wenn der Formkörper insbesondere im Fall von Ge­ häusen für elektronische Bauteile, mit Wandbereichen unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit auszubilden ist.

Claims (12)

1. Formkörper, wie z. B. ein Gehäuse für elektronische Bauteile, mit elektrisch isolierten Leiterdurchführungen, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Metall und/oder wenig­ stens zum Teil aus Metall-Matrix-Verbundmaterial (MMC-Material) bestehende Form­ körper ein gegossener einstückiger Formkörper ist, bei welchem das Formkörpermetall an die elektrisch isolierten Durchführungen angegossen ist.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial der Durchführungen ein Keramikmaterial oder ein Glas insbesondere mit einem höheren Schmelzpunkt als jenem des Metalls ist.

3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmate­ rial eine Metallbeschichtung, eine Metallauflage, wie z. B. einen Metallring, o. dgl., aufweist, an welche das Formkörpermetall angegossen ist.

4. Formkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Durchführungen aus dem Formkörpermetall bestehen.

5. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest das Isolationsmaterial der elektrisch isolierten Leiterdurchführungen in eine Gußform eingesetzt werden, und sodann der von den Leiterdurchführungen bzw. dem Isolationsmaterial derselben durchsetzte und der Ge­ stalt des Formkörpers entsprechende Formhohlraum mit Metall gegebenenfalls unter Druckanwendung gefüllt, darauf das Metall erstarren gelassen, und sodann der Form­ körper entformt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Formhohlraum eine Vorform eines MMC-Materials angeordnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrteilige Vorform, z. B. aus jeweils unterschiedlichen Materialien verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrteilige Vorform aus jeweils gleichen Materialien gleicher oder unterschiedlicher Dichte, bzw. Füll- oder Schüttdichte, verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formhohlraum wenigstens bereichsweise zur Gänze mit der Vorform ausgefüllt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trisch isolierten Leiterdurchführungen in durchgehende Bohrungen der Vorform einge­ setzt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial der Leiterdurchführungen, das einen Kanal für die Aufnahme des Leiters aufweist, in durchgehende Bohrungen der Vorform eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle mit dem Form­ körpermetall gefüllt werden.